AI+医疗：使用神经网络进行医学影像识别分析 ⛵

💡 作者：韩信子@ShowMeAI
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💡 深度学习+医疗科技

近年高速发展的人工智能技术应用到了各个垂直领域，比如把深度学习应用于各种医学诊断，效果显著甚至在某些方面甚至超过了人类专家。典型的 CV 最新技术已经应用于阿尔茨海默病的分类、肺癌检测、视网膜疾病检测等医学成像任务中。

💡 图像分割

图像分割是将图像按照内容物切分为不同组的过程，它定位出了图像中的对象和边界。语义分割是像素级别的识别，我们在很多领域的典型应用，背后的技术支撑都是图像分割算法，比如：医学影像、无人驾驶可行驶区域检测、背景虚化等。

本文涉及到的深度学习基础知识，及计算机视觉详细知识，推荐大家阅读ShowMeAI的教程专栏：

• 深度学习教程：吴恩达专项课程 · 全套笔记解读
• 深度学习与计算机视觉教程：斯坦福CS231n · 全套笔记解读

💡 语义分割典型网络 U-Net

U-Net 是一种卷积网络架构，用于快速、精确地分割生物医学图像。

关于语义分割的各类算法原理及优缺点对比（包括U-Net），ShowMeAI 在过往文章 📘 深度学习与CV教程(14) | 图像分割 (FCN,SegNet,U-Net,PSPNet,DeepLab,RefineNet) 中有详细详解。

U-Net 的结构如下图所示：

在 U-Net 中，与其他所有卷积神经网络一样，它由卷积和最大池化等层次组成。

• U-Net 简单地将编码器的特征图拼接至每个阶段解码器的上采样特征图，从而形成一个梯形结构。该网络非常类似于 Ladder Network 类型的架构。
• 通过跳跃 拼接 连接的架构，在每个阶段都允许解码器学习在编码器池化中丢失的相关特征。
• 上采样采用转置卷积。

💡 使用 U-Net 进行肺部影像分割

我们这里使用到的数据集是 🏆 蒙哥马利县 X 射线医学数据集。 该数据集由肺部的各种 X 射线图像以及每个 X 射线的左肺和右肺的分段图像的图像组成。大家也可以直接通过ShowMeAI的百度网盘链接下载此数据集。

🏆 实战数据集下载（百度网盘）：公众号『ShowMeAI研究中心』回复『实战』，或者点击 这里 获取本文 [10] 使用神经网络进行肺部医学影像识别与分析 『masked montgomery county x-ray set 肺部医学影像数据集』

⭐ ShowMeAI官方GitHub：https://github.com/ShowMeAI-Hub

① 工具库导入&环境设置

首先导入我们本次使用到的工具库。

# 导入工具库
import os
import numpy as np
import cv2
from glob import glob
from sklearn.model_selection import train_test_split
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.callbacks import ModelCheckpoint, ReduceLROnPlateau
from tensorflow.keras.optimizers import Adam
from tensorflow.keras.metrics import Recall, Precision

② 数据读取

接下来我们完成数据读取部分，这里读取的内容包括图像和蒙版（mask，即和图片同样大小的标签）。我们会调整维度大小，以便可以作为 U-Net 的输入。

# 读取X射线图像
def imageread(path,width=512,height=512):
    x = cv2.imread(path, cv2.IMREAD_COLOR)
    x = cv2.resize(x, (width, height))
    x = x/255.0
    x = x.astype(np.float32)
    return x
 
# 读取标签蒙版
def maskread(path_l, path_r,width=512,height=512):
    x_l = cv2.imread(path_l, cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
    x_r = cv2.imread(path_r, cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
    x = x_l + x_r
    x = cv2.resize(x, (width, height))
    x = x/np.max(x)
    x = x > 0.5
    x = x.astype(np.float32)
    x = np.expand_dims(x, axis=-1)
    return x

③ 数据切分

我们要对模型的效果进行有效评估，所以接下来我们进行数据划分，我们把全部数据分为训练集、验证集和测试集。具体代码如下：

"""加载与切分数据"""
def load_data(path, split=0.1):
    images = sorted(glob(os.path.join(path, "CXR_png", "*.png")))
    masks_l = sorted(glob(os.path.join(path, "ManualMask", "leftMask", "*.png")))
    masks_r = sorted(glob(os.path.join(path, "ManualMask", "rightMask", "*.png")))
    split_size = int(len(images) * split) # 9:1的比例切分
    train_x, val_x = train_test_split(images, test_size=split_size, random_state=42)
    train_y_l, val_y_l = train_test_split(masks_l, test_size=split_size, random_state=42)
    train_y_r, val_y_r = train_test_split(masks_r, test_size=split_size, random_state=42)
    train_x, test_x = train_test_split(train_x, test_size=split_size, random_state=42)
    train_y_l, test_y_l = train_test_split(train_y_l, test_size=split_size, random_state=42)
    train_y_r, test_y_r = train_test_split(train_y_r, test_size=split_size, random_state=42)
 
    return (train_x, train_y_l, train_y_r), (val_x, val_y_l, val_y_r), (test_x, test_y_l, test_y_r)

④ TensorFlow IO准备

我们会使用到 TensorFlow 进行训练和预估，我们用 TensorFlow 读取 numpy array 格式的数据，转为 TensorFlow 的 tensor 形式，并构建方便以 batch 形态读取和训练的 dataset 格式。

# tensor格式转换
def tf_parse(x, y_l, y_r):
    def _parse(x, y_l, y_r):
        x = x.decode()
        y_l = y_l.decode()
        y_r = y_r.decode()
        x = imageread(x)
        y = maskread(y_l, y_r)
        return x, y
    x, y = tf.numpy_function(_parse, [x, y_l, y_r], [tf.float32, tf.float32])
    x.set_shape([512, 512, 3])
    y.set_shape([512, 512, 1])
    return x, y
 
# 构建tensorflow dataset
def tf_dataset(X, Y_l, Y_r, batch=8):
    dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((X, Y_l, Y_r))
    dataset = dataset.shuffle(buffer_size=200)
    dataset = dataset.map(tf_parse)
    dataset = dataset.batch(batch)
    dataset = dataset.prefetch(4)
    return dataset

⑤ U-Net 网络构建

下面我们构建 U-Net 网络。

from tensorflow.keras.layers import Conv2D, BatchNormalization, Activation, MaxPool2D, Conv2DTranspose, Concatenate, Input
from tensorflow.keras.models import Model
 
# 一个卷积块结构
def conv_block(input, num_filters):
    x = Conv2D(num_filters, 3, padding="same")(input)
    x = BatchNormalization()(x)
    x = Activation("relu")(x)
 
    x = Conv2D(num_filters, 3, padding="same")(x)
    x = BatchNormalization()(x)
    x = Activation("relu")(x)
 
    return x
 
# 编码器模块
def encoder_block(input, num_filters):
    x = conv_block(input, num_filters)
    p = MaxPool2D((2, 2))(x)
    return x, p
 
# 解码器模块
def decoder_block(input, skip_features, num_filters):
    x = Conv2DTranspose(num_filters, (2, 2), strides=2, padding="same")(input)
    x = Concatenate()([x, skip_features])
    x = conv_block(x, num_filters)
    return x
 
# 完整的U-Net
def build_unet(input_shape):
    inputs = Input(input_shape)
    
    # 编码器部分
    s1, p1 = encoder_block(inputs, 64)
    s2, p2 = encoder_block(p1, 128)
    s3, p3 = encoder_block(p2, 256)
    s4, p4 = encoder_block(p3, 512)
 
    b1 = conv_block(p4, 1024)
    
    # 解码器部分
    d1 = decoder_block(b1, s4, 512)
    d2 = decoder_block(d1, s3, 256)
    d3 = decoder_block(d2, s2, 128)
    d4 = decoder_block(d3, s1, 64)
    
    # 输出
    outputs = Conv2D(1, 1, padding="same", activation="sigmoid")(d4)
 
    model = Model(inputs, outputs, name="U-Net")
    return model

⑥ 评估准则与损失函数

我们针对语义分割场景，编写评估准则 IoU 的计算方式，并构建 Dice Loss 损失函数以便在医疗场景语义分割下更针对性地训练学习。

关于IoU、mIoU等评估准则可以查看ShowMeAI的文章 📘 深度学习与CV教程(14) | 图像分割 (FCN,SegNet,U-Net,PSPNet,DeepLab,RefineNet) 做更多了解。

关于Dice Loss损失函数的解释如下：

📌 Dice 系数

根据 Lee Raymond Dice 命名，是一种集合相似度度量函数，通常用于计算两个样本的相似度(值范围为 [0,1]" role="presentation" style="position: relative;">[0,1]$[0,1]$)：

s=2|X∩Y||X|+|Y|" role="presentation">s=2|X∩Y||X|+|Y|$$s=\frac{2|X\cap Y|}{|X|+|Y|}$$

|X∩Y|" role="presentation" style="position: relative;">|X∩Y|$|X\cap Y|$表示 X" role="presentation" style="position: relative;">X$X$ 和 Y" role="presentation" style="position: relative;">Y$Y$ 之间的交集；|X|" role="presentation" style="position: relative;">|X|$|X|$ 和 |Y|" role="presentation" style="position: relative;">|Y|$|Y|$ 分别表示 X" role="presentation" style="position: relative;">X$X$ 和 Y" role="presentation" style="position: relative;">Y$Y$ 的元素个数。其中，分子中的系数 2" role="presentation" style="position: relative;">2$2$，是因为分母存在重复计算 X" role="presentation" style="position: relative;">X$X$ 和 Y" role="presentation" style="position: relative;">Y$Y$ 之间的共同元素的原因。

针对，语义分割问题而言，X" role="presentation" style="position: relative;">X$X$ 为分割图像标准答案 GT，Y" role="presentation" style="position: relative;">Y$Y$ 为分割图像预测标签 Pred。

📌 Dice 系数差异函数（Dice loss）

s=1−2|X∩Y||X|+|Y|" role="presentation">s=1−2|X∩Y||X|+|Y|$$s=1-\frac{2|X\cap Y|}{|X|+|Y|}$$

评估准则与损失函数的代码实现如下：

# IoU计算
def iou(y_true, y_pred):
    def f(y_true, y_pred):
        intersection = (y_true * y_pred).sum()
        union = y_true.sum() + y_pred.sum() - intersection
        x = (intersection + 1e-15) / (union + 1e-15)
        x = x.astype(np.float32)
        return x
    return tf.numpy_function(f, [y_true, y_pred], tf.float32)
 
# Dice Loss定义
smooth = 1e-15
def dice_coef(y_true, y_pred):
    y_true = tf.keras.layers.Flatten()(y_true)
    y_pred = tf.keras.layers.Flatten()(y_pred)
    intersection = tf.reduce_sum(y_true * y_pred)
    return (2. * intersection + smooth) / (tf.reduce_sum(y_true) + tf.reduce_sum(y_pred) + smooth)
 
def dice_loss(y_true, y_pred):
    return 1.0 - dice_coef(y_true, y_pred)

⑦ 超参数设置与模型编译

接下来在开始模型训练之前，我们先敲定一些超参数，如下：

• 批次大型 batch size = 2
• 学习率 learning rate= 1e-5
• 迭代轮次 epoch = 30

我们使用 Adam 优化器进行训练，使用的评估指标包括 Dice 系数、IoU、召回率和精度。

# 超参数
batch_size = 2
lr = 1e-5
epochs = 30
model_path = "models/model.h5"
 
# 读取数据
dataset_path = './NLM-MontgomeryCXRSet/MontgomerySet'
(train_x, train_y_l, train_y_r), (val_x, val_y_l, val_y_r), (test_x, test_y_l, test_y_r) = load_data(dataset_path)
 
# 训练集与验证集
train_dataset = tf_dataset(train_x, train_y_l, train_y_r, batch=batch_size)
val_dataset = tf_dataset(val_x, val_y_l, val_y_r, batch=batch_size)
 
# 构建模型
model = build_unet((512, 512, 3))
# 评估准则
metrics = [dice_coef, iou, Recall(), Precision()]
# 编译模型
model.compile(loss=dice_loss, optimizer=Adam(lr), metrics=metrics)

可以使用model.summary查看模型结构信息与参数量：

model . summary()

结果如下图所示（部分内容截图，全部模型信息较长）：

⑧ 回调函数&模型训练

我们在回调函数中设置模型存储相关设置，学习率调整策略等，之后在数据集上进行训练。

# 回调函数
callbacks = [
        ModelCheckpoint(model_path, verbose=1, save_best_only=True),
        ReduceLROnPlateau(monitor='val_loss', factor=0.1, patience=5, min_lr=1e-8, verbose=1)
        ]
 
# 模型训练
history = model.fit(
        train_dataset,
        epochs=epochs,
        validation_data=val_dataset,
        callbacks=callbacks
    )

训练部分中间信息如下图所示。

在训练模型超过 30 个 epoch 后，保存的模型（验证损失为 0.10216）相关的评估指标结果如下：

• dice coef：0.9148
• iou：0.8441
• recall：0.9865
• precision：0.9781
• val_loss：0.1022
• val_dice_coef: 0.9002
• val_iou：0.8198
• val_recall：0.9629
• val_precision：0.9577

⑨ 模型加载与新数据预估

我们可以把刚才保存好的模型重新加载入内存，并对没有见过的测试数据集进行预估，代码如下：

# 重新载入模型
from tensorflow.keras.utils import CustomObjectScope
with CustomObjectScope({'iou': iou, 'dice_coef': dice_coef, 'dice_loss': dice_loss}):
  model = tf.keras.models.load_model("/content/model.h5")
 
 
# 测试集预估
from tqdm import tqdm
import matplotlib.pyplot as plt
ct=0
 
# 遍历测试集
for x, y_l, y_r in tqdm(zip(test_x, test_y_l, test_y_r), total=len(test_x)):
    """ Extracing the image name. """
    image_name = x.split("/")[-1]
 
    # 读取测试图片集
    ori_x = cv2.imread(x, cv2.IMREAD_COLOR)
    ori_x = cv2.resize(ori_x, (512, 512))
    x = ori_x/255.0
    x = x.astype(np.float32)
    x = np.expand_dims(x, axis=0)
 
    # 读取标签信息
    ori_y_l = cv2.imread(y_l, cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
    ori_y_r = cv2.imread(y_r, cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
    ori_y = ori_y_l + ori_y_r
    ori_y = cv2.resize(ori_y, (512, 512))
    ori_y = np.expand_dims(ori_y, axis=-1)  # (512, 512, 1)
    ori_y = np.concatenate([ori_y, ori_y, ori_y], axis=-1)  # (512, 512, 3)
 
    # 预估
    y_pred = model.predict(x)[0] > 0.5
    y_pred = y_pred.astype(np.int32)
    #plt.imshow(y_pred)
 
    # 存储预估结果mask
    save_image_path = "./"+str(ct)+".png"
    ct+=1
    y_pred = np.concatenate([y_pred, y_pred, y_pred], axis=-1)
    sep_line = np.ones((512, 10, 3)) * 255
    cat_image = np.concatenate([ori_x, sep_line, ori_y, sep_line, y_pred*255], axis=1)
    cv2.imwrite(save_image_path, cat_image)

部分结果可视化：

下面为2个测试样本的原始图像、原始掩码（标准答案）和预测掩码的组合图像：

测试用例的输入图像（左侧）、原始掩码标签（中间）、预测掩码（右侧）

参考资料

• 🏆 实战数据集下载（百度网盘）：公众号『ShowMeAI研究中心』回复『实战』，或者点击 这里 获取本文 [10] 使用神经网络进行肺部医学影像识别与分析 『masked montgomery county x-ray set 肺部医学影像数据集』
• ⭐ ShowMeAI官方GitHub：https://github.com/ShowMeAI-Hub
• 📘 深度学习教程：吴恩达专项课程 · 全套笔记解读：https://www.showmeai.tech/tutorials/35
• 📘 深度学习与计算机视觉教程：斯坦福CS231n · 全套笔记解读：https://www.showmeai.tech/tutorials/37
• 📘 深度学习与CV教程(14) | 图像分割 (FCN,SegNet,U-Net,PSPNet,DeepLab,RefineNet)： https://www.showmeai.tech/article-detail/273